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一文了解低空航空器中使用的復(fù)合材料
發(fā)布時(shí)間:2024-09-19
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  今年標(biāo)志著中國(guó)低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的起點(diǎn),它涵蓋了無(wú)人機(jī)、低空飛機(jī)、空中出租車等多種航空器,預(yù)示著一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)正在形成。隨著低空經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),它為物流、農(nóng)業(yè)、緊急服務(wù)、旅游等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了創(chuàng)新性的改變,同時(shí)也為復(fù)合材料的應(yīng)用提供了新的舞臺(tái)。


  復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐蝕和可塑性等優(yōu)點(diǎn),成為制造低空航空器的理想材料。在這個(gè)追求效率、續(xù)航和環(huán)保的低空經(jīng)濟(jì)時(shí)代,復(fù)合材料的使用不僅影響著航空器的性能和安全,也是推動(dòng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

 

  從碳纖維增強(qiáng)的無(wú)人機(jī)機(jī)翼到玻璃纖維制成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu),復(fù)合材料的創(chuàng)新不斷為低空經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)提供動(dòng)力。低空經(jīng)濟(jì)與復(fù)合材料的緊密聯(lián)系在技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)中得到體現(xiàn)。隨著全球?qū)Φ涂疹I(lǐng)域的政策逐漸放寬,以及新材料和工藝的不斷涌現(xiàn),復(fù)合材料在低空航空器領(lǐng)域的應(yīng)用正面臨前所未有的機(jī)遇。讓我們來(lái)深入了解一下低空航空器中使用的復(fù)合材料。


  1、碳纖維復(fù)合材料


  低空經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)不僅為物流、農(nóng)業(yè)、緊急救援、旅游等多個(gè)行業(yè)帶來(lái)了創(chuàng)新性的變革,也為復(fù)合材料,尤其是碳纖維的使用提供了巨大的發(fā)展空間。


  碳纖維因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特性,成為低空飛行器制造的理想材料。它不僅能夠減輕飛行器的重量,還能提升性能和經(jīng)濟(jì)效益,成為傳統(tǒng)金屬材料的有效替代品。據(jù)中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)引用Stratview的數(shù)據(jù),空中汽車中超過(guò)90%的復(fù)合材料為碳纖維,剩余約10%為玻璃纖維。在eVTOL飛行器中,碳纖維被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)部件和推進(jìn)系統(tǒng),占比約75-80%,而內(nèi)部應(yīng)用如橫梁、座椅結(jié)構(gòu)等占12-14%,電池系統(tǒng)、航空電子設(shè)備等占8-12%。


  國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的eVTOL制造商,如億航智能、小鵬匯天、峰飛航空等,在其設(shè)計(jì)方案中均采用了碳纖維復(fù)合材料。例如,小鵬匯天的旅航者X2的旋翼槳葉和起落架也使用了碳纖維復(fù)合材料。這些應(yīng)用展示了碳纖維在低空經(jīng)濟(jì)中的重要作用,同時(shí)也預(yù)示著對(duì)碳纖維的大量需求。


  隨著全球?qū)Φ涂疹I(lǐng)域的政策逐步放開,以及新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn),碳纖維在低空飛行器中的應(yīng)用正迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。預(yù)計(jì)單臺(tái)eVTOL對(duì)碳纖維的需求量在100-400kg之間,這為碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)的發(fā)展和升級(jí)提供了廣闊的空間。


  預(yù)計(jì)到2030年,eVTOL的全球訂單量將達(dá)到8000架,其中商務(wù)電動(dòng)飛機(jī)約1700架,其余為eVTOL,約為6300架。eVTOL的機(jī)身結(jié)構(gòu)大量采用碳纖維復(fù)合材料,單臺(tái)eVTOL對(duì)碳纖維需求在 100-400kg 之間,有望拉動(dòng)千噸級(jí)需求。這種材料的使用量占到了機(jī)身自重的70%以上,其中超過(guò)90%的復(fù)合材料為碳纖維。按照碳纖維與樹脂7:3的比例計(jì)算,單臺(tái)eVTOL對(duì)碳纖維的需求量大約在97-363公斤之間。因此,隨著eVTOL產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,預(yù)計(jì)將為碳纖維帶來(lái)600-2300噸的增量需求。


  2、玻璃纖維復(fù)合材料


  玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)以其耐腐蝕、耐高低溫、耐輻射、阻燃和抗老化的特性,在低空飛行器如無(wú)人機(jī)的制造中發(fā)揮著重要作用。這種材料的應(yīng)用有助于減輕飛行器重量,增加有效載荷,節(jié)省能源,并實(shí)現(xiàn)美觀的外觀設(shè)計(jì)。因此,GFRP已成為低空經(jīng)濟(jì)中的關(guān)鍵材料之一。


  在低空飛行器的生產(chǎn)過(guò)程中,玻璃纖維布被廣泛用于機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的制造。其輕質(zhì)特性有助于提高飛行器的巡航效率,并提供更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。


  對(duì)于需要優(yōu)異透波性能的部件,例如雷達(dá)罩和整流罩,通常采用玻璃纖維復(fù)合材料。例如,高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)和美國(guó)空軍的RQ-4“全球鷹”無(wú)人機(jī),其機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和后機(jī)身使用碳纖維復(fù)合材料,而雷達(dá)罩和整流罩則選用玻璃纖維復(fù)合材料,以確保信號(hào)的清晰傳輸。


  中國(guó)商飛生產(chǎn)的ARJ21支線客機(jī)使用了大約2%的復(fù)合材料,其中包括在方向舵和翼梢小翼上使用的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,以及在翼身整流罩和機(jī)頭雷達(dá)罩上使用的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。在航空航天領(lǐng)域,玻璃纖維的應(yīng)用不僅限于提升結(jié)構(gòu)性能,它在飛機(jī)的外觀設(shè)計(jì)中也扮演著重要角色。


  例如,玻璃纖維布可以用于制造飛機(jī)的整流罩和窗戶,這不僅提升了飛機(jī)的外觀美感,還增強(qiáng)了乘坐的舒適度。同樣,在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中,玻璃纖維布也可用于構(gòu)建太陽(yáng)能電池板和天線的外表面結(jié)構(gòu),從而提升衛(wèi)星的外觀和功能可靠性。


  3、芳綸纖維復(fù)合材料


  采用仿生天然蜂巢的六邊形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的芳綸紙蜂窩芯材,因其優(yōu)異的比強(qiáng)度、比剛度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而備受推崇。此外,這種材料還具備良好的隔音、隔熱和阻燃性能,在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧和毒性都非常低,這些特性使其在航空航天和高速運(yùn)輸工具的高端應(yīng)用中占據(jù)了一席之地。


  盡管芳綸紙蜂窩芯材的成本較高,但它常被選作飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等高端裝備的關(guān)鍵輕質(zhì)材料,特別是在需要寬頻透波性能和大剛性次受力結(jié)構(gòu)部件的制造中。


  輕量化效益

  芳綸紙作為關(guān)鍵的機(jī)身結(jié)構(gòu)材料,在eVTOL這類低空經(jīng)濟(jì)的主要飛行器中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,尤其是作為碳纖維蜂窩夾心層的使用,這一技術(shù)已經(jīng)被全球領(lǐng)先的eVTOL制造商,如Joby、Archer、億航和峰飛等廣泛采用。


  在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域,Nomex蜂窩材料(芳綸紙)的應(yīng)用同樣廣泛,它被用于機(jī)體外殼、機(jī)翼蒙皮和前緣等部位。例如,法國(guó)制造的奧科爾多用途無(wú)人機(jī)豺2樣機(jī)就采用了玻璃纖維/碳纖維/芳綸纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)。


  泰和新材在上海復(fù)材展上展示的無(wú)人機(jī)起落架和管材結(jié)構(gòu)件,就是由芳綸復(fù)合材料制成,這些部件通過(guò)芳綸預(yù)浸料的搓管工藝制備,主要用于低空飛行器,具有輕量化和高韌性的特點(diǎn)。


  防護(hù)性能

  芳綸纖維在無(wú)人機(jī)的防護(hù)部件和防彈裝甲中的應(yīng)用,顯著提升了無(wú)人機(jī)在惡劣環(huán)境下的生存性,并保護(hù)了關(guān)鍵部件不受損害。


  4、其他夾芯復(fù)合材料


  低空飛行器,例如無(wú)人機(jī),在制造過(guò)程中除了使用碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等增強(qiáng)材料外,還廣泛采用了蜂窩、膠膜、泡沫塑料和泡沫膠等夾層結(jié)構(gòu)材料。


  在夾芯材料的選擇上,常用的有蜂窩夾芯(如紙蜂窩、Nomex蜂窩等)、木質(zhì)夾芯(如樺木、桐木、松木、椴木等)以及泡沫塑料夾芯(如聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯泡沫塑料)。


  泡沫夾層結(jié)構(gòu)因其防水、漂浮的特性以及能夠整體填充機(jī)翼、尾翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)空腔的工藝優(yōu)勢(shì),在無(wú)人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。


  以美國(guó)波音公司開發(fā)的X-45A無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)為例,其機(jī)身采用了低溫固化預(yù)浸料,而機(jī)翼則采用了泡沫樹脂夾芯(FMC)技術(shù),顯著降低了制造成本,比傳統(tǒng)方法減少了一半。


  在設(shè)計(jì)低速無(wú)人機(jī)時(shí),對(duì)于強(qiáng)度要求不高、形狀規(guī)則、大曲面且易于鋪放的部件,如前翼安定面、垂尾安定面、機(jī)翼安定面等,通常采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。對(duì)于形狀復(fù)雜、小曲面的部件,如升降舵面、方向舵面、副翼舵面等,則傾向于使用泡沫夾層結(jié)構(gòu)。而對(duì)于需要較高強(qiáng)度的夾層結(jié)構(gòu),可能會(huì)選擇木質(zhì)夾層。對(duì)于那些同時(shí)需要高輕度和高剛度的部件,如機(jī)身蒙皮、T型梁、L型梁等,則通常采用層壓板結(jié)構(gòu)。這些部件的制造需要預(yù)成型,并根據(jù)所需的面內(nèi)剛度、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度要求,選擇合適的增強(qiáng)纖維、基體材料、纖維含量及層合板,以及設(shè)計(jì)不同的鋪設(shè)角度、層數(shù)和鋪層順序,并通過(guò)不同的加熱溫度和加壓壓力進(jìn)行固化。(來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng))

 

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